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位转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
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进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以定
（4）运行频率：步进电机起动后，控制脉冲频率连续上升时保证不失步所达到的最高频率称为运行频率。
（5）额定电流：电机转动时每一相绕组允许通过的电流称为额定电流。
（6）额定电压：驱动电源供给的电压称为额定电压，一般不等于加在绕组两端的电压。4.1.2步进电机参数计算
1）步距角
步距角?是决定步进式伺服系统脉冲当量的重要参数。步距角越小，脉冲量越小，控制精度
就越高。步距角?：
??式中：m——定子绕组的相数 z——转子的齿数
360? mzk k——步进电机的通电方式，为m相m拍时，k=1；为m相2m拍时，k=2；依此类推。
2）每一齿距的空间角（也称齿间夹角）为：
?z?式中Zr为转子齿数。
360? Zr3）每一极距的空间角（也称极间夹角）为：
???式中m为步进电机相数。
4）每一极距所占的齿数为
360? 2mZr 2m5）转子齿数Zr应符合以下条件，
Zr?2p(K?1m)
式中K——正整数；
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2p——反应式步进电动机的定子磁极数；
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m——定子相数。 4.1.3步进电机的特点
步进电机的基本特点如下[15]：
(1)位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单且具有一定精度的开环控制系统，也可以在需要更高精度时组成闭环控制系统。
(2)易于起动、停止、正反转及变速，快速响应性好。
(3)速度可以在相当宽的范围内平滑调节。可以用一台控制器控制几台步进电机同时同步运行。
(4)具有自锁能力。当控制脉冲停止输入且让最后一个脉冲控制的绕组继续通电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个控制脉冲所控制的角位移的终点位置上，所以步进电机具有带电自锁能力。
(5)步距角选择范围大，可以在几十角分至180o范围内选择。在小步距角情况下，电机通常可以在超低速下高转矩稳定运行，而且可以不经减速器直接驱动负载。
(6)步进电动机按其应用可分为伺服式和功率式。功率步进电动机可以不通过力矩放大装置直接带动机床等负载运动，简化了传动系统的结构，并具有一定的精度。
(7)电机本体没有电刷，转子上没有绕组，也不需要位置传感器，可靠性高。 (8)步进电机需要与控制器配合使用，不能直接使用普通的交直流电源。 (9)步进电动机带惯性负载的能力差。
(10)存在失步、共振等现象，在使用中要根据负载和运行条件合理选用步进电动机及其控制器。
4.1.4步进电机工作原理
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。这样就可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在
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速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
A电机 A
BB
图 4.1步进电机通电示意图
下面以二相四拍的步进电机为例，如图4-1所示。它的通电顺序如下表4-1所示：
表4.2 步进电机励磁表
0 1 2 3 A+ 1 0 0 1 A- 0 1 1 0 B+ 1 1 0 0 B- 0 0 1 1 反转方向 正转方向 即按图中的通电顺序，每给一个脉冲，电机便相应地走一步，且步进电机正方转动的脉冲顺序为：0A 06 05 09 ；而步进电机反方向转动的脉冲顺序为： 09 05 06 0A 。所以，根据这样的脉冲递顺序，我们只要在实验中给步进电机传送这样的信息，步进电机就可以运转了，至于电机的具体运行规律，只要在程序中添入适当的控制规律就可以了。 4.1.5步进电动机的分类
根据结构和工作原理的不同，步进电机可分为三种[14]：
反应式(VR型——Variable Type)又称为磁阻式步进电机。反应式步进电动机的工作原理是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的磁阻转矩而转动的。这类电机结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小(0.09o～9o)。磁阻式步进电动机及其控制驱动电路构成的开环伺服系统在技术上业已成熟，在价格上较为便宜，在使用上也易于操作
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者掌握。
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永磁式(PM型——Permanent Magnet Type)永磁式步进电动机的工作原理是，转子上的永磁体建立的磁场，与定子绕组电流建立的磁场相互作用而产生电磁转矩，这类电机控制功率小、效率高、造价低。步距角较大(7.5o～18o)。在满足实际要求的前提下，永磁式步进电动机比较便宜，因而一经面世就得到广泛的应用，甚至取代了一部分混合式步进电动机，被用于打印机、复印机、传真机以及空调器等各个领域中。
混合式(HB型——Hybrid Type)混合式步进电动机既有反应式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。其综合了该两类步进电动机的特点，因而既有VR步进电机步距角小、工作频率高的特点，又有PM电机控制功率小、无励磁时具有转矩定位的优点。
4.2 混合式步进电机
混合式步进电机在我国也称为永磁感应子式步进电机，最早见于美国。本设计中主要采用二相混合式步进电机进行试验。 4.2.1 混合式步进电机的特点
步进电动机有三种基本结构形式，经实践考验，在工业上获得广泛应用的主要有两类：反应式步进电动机和混合式步进电动机。而混合式步进电动机综合了反应式和永磁式步进电动机两者的优点。与反应式步进电动机相比，混合式步进电动机具有如下一些特点：
(1)极对数等于转子齿数，可以根据需要在很大范围内变化。对于多极对数的混合式步进电动机，方波驱动就可以获得较高的分辨率，可作为低速同步电动机运行；对于少极对数的混合式步进电动机，可作为具有宽广调速范围的调速电动机。
(2)转子磁钢提供激磁。在相同条件下，其激磁安匝只有反应式步进电动机的1/3～1/2，有利于功率逆变器的设计和配置，降低成本，提高可靠性和系统效率[16]。
(3)绕组电感随转子位置变化小，使系统控制简单化，易于实现最佳运行控制。 (4)在整个运行区域没有明显的振荡，易于减小力矩波动。
(5)混合式步进电动机是轴向充磁磁路，永磁体夹在二段转子铁芯中间，用量少，易于采用高磁能积的新型永磁材料，有利于电动机性能的提高。
因此混合式步进电机的应用最为广泛，是国外主流品种，国内也已经大面积取代反应式步进电机成为市场热点[17-18]。两相混合式步进电机是这类电机中最常见的一种，
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除了具有步进频率高、反应速度快等优点外，更为重要的是两相混合式步进电机具有明显的零电流定位转矩。所以两相混合式步进电机的应用范围非常广泛。 4.2.2两相混合式步进电机的结构及工作原理
两相混合式步进电机的定子一般有8个极或4个极，每极上均匀分布一定数量的小齿及控制绕组；控制绕组采用集中绕组，每相为两对极，如图4.1所示。按A→B→(-A)→(-B)→A…的顺序轮流通以正、负脉冲（也可在同一相的极上绕上两套绕相相反的绕组，通以正脉冲）；转子是由环型磁铁和两端铁芯组成，中间为环形轴向磁化的永磁体，磁体两端各套有一段开有齿槽的铁芯，两段铁芯错开半个齿距，且转子齿距与定子小齿的齿距相等。显然，同一段转子片上的所有齿都具有相同极性，而两块不同段的转子片的极性相反。
图4.3两相混合式步进电机的结构
转子永磁体充磁后，一端（如图4.1(a)中右端）为N极，则右端铁芯转子的整个圆周上都呈N极性，左端转子铁芯则呈S极性。当A相通电时，定子1－3－5－7极上的极性为N－S－N－S，这时转子稳定平衡位置为：定子磁极1和5上的齿和转子左端的槽对齐，定子磁极3和7上的齿与转子左端的齿及右端的槽对齐，而B相4个极（2、4、6、8极）上的齿与转子齿都错开1/4齿距。
两相混合式步进电动机的气隙磁动势有两种：一种是由永磁铁产生的磁动势Fm；另一种是由定子绕组产生的磁动势Fs。在每一个具体的磁极下，这两种磁动势有时是相加的，有时是相减的，随交流绕组中通入的电流方向变化而变化。混合式步进电机与反应式步进电机的最大区别在于其转子具有永久磁性。